直升機(jī)滅火系統(tǒng)飛行試驗適航驗證技術(shù)研究

葉培鑫，侯岳平，雷佻鈺

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

直升機(jī)火災(zāi)安全性能對直升機(jī)的生存能力有著重要影響，直升機(jī)動力艙包含了發(fā)動機(jī)、大量的管路、配線和附件等，易燃流體、配線以及眾多火源的組合并存使得直升機(jī)動力艙和輔助動力裝置艙形成獨特的火區(qū)環(huán)境[1]。由于點火源和可燃液體同時存在，極有可能由于可燃液體滲漏這樣的單點故障就導(dǎo)致失火，因此直升機(jī)動力艙和輔助動力艙需要高度安全防范。直升機(jī)滅火系統(tǒng)是直升機(jī)安全保障措施的重要組成部分，主要是為出現(xiàn)火警的著火區(qū)域提供足夠的滅火劑，進(jìn)行滅火。如果沒有有效的滅火系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)火警，火勢將蔓延、擴(kuò)大，甚至造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果。

適航驗證是指航空器型號合格審定過程中表明民用航空產(chǎn)品的設(shè)計符合相應(yīng)適航規(guī)章的要求，民用航空器只有通過型號合格審定，取得型號合格證書才能投入生產(chǎn)和使用，對于直升機(jī)滅火系統(tǒng)的適航驗證來說，最為關(guān)鍵的就是如何通過滅火系統(tǒng)飛行試驗來滿足適航規(guī)章的要求，國內(nèi)在直升機(jī)滅火系統(tǒng)方面的研究工作起步較晚，直升機(jī)滅火系統(tǒng)的適航驗證在國產(chǎn)民用直升機(jī)型號取證中可借鑒的型號經(jīng)驗也十分有限。本文根據(jù)對適航條款29.1195 及相應(yīng)咨詢通告的研究，對29.1195 適航條款的技術(shù)內(nèi)涵和適航要求進(jìn)行了深入解讀，結(jié)合某型直升機(jī)滅火系統(tǒng)飛行試驗的實例，給出了適航驗證試驗方法，為直升機(jī)滅火系統(tǒng)飛行試驗適航符合性驗證提供了有益指導(dǎo)。

1 滅火系統(tǒng)適航條款解讀

1.1 適航條款介紹

CCAR29.1195 滅火系統(tǒng)[2]

（1）裝有渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動機(jī)的A 類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于24.6升（1 500 立方英寸）的活塞發(fā)動機(jī)的B 類旋翼航空器，對指定火區(qū)必須有滅火系統(tǒng)。動力裝置滅火系統(tǒng)必須能同時防護(hù)需要提供防護(hù)的動力裝置艙的所有區(qū)域。

（2）對于多發(fā)旋翼航空器，滅火系統(tǒng)、滅火劑量、噴射速率必須滿足下列要求：

a.對輔助動力裝置和燃燒設(shè)備，至少提供一次足夠的噴射。

b.對其他指定火區(qū)，提供兩次足夠的噴射。

（3）對單發(fā)旋翼航空器，滅火劑量與噴射速率必須提供發(fā)動機(jī)艙至少一次足夠的噴射。

（4）必須通過真實的或模擬的飛行試驗表明，在飛行中臨界氣流條件下，規(guī)定的每一指定火區(qū)內(nèi)滅火劑的噴射，可提供能夠熄滅該火區(qū)的著火并能夠使復(fù)燃的概率減至最小的滅火劑密集度。

1.2 適航條款修訂背景

CCAR29 主要借鑒了美國聯(lián)邦航空局（FAA）頒布的聯(lián)邦航空條例（FAR29），F(xiàn)AR29 中第29.1195 條從最初1965 年發(fā)布的原版開始，截至目前共進(jìn)行了3 次修訂，其相關(guān)的修正案情況具體見表1。

表1 FAR29.1195 相關(guān)的修正案

在1964 年5 月20 日發(fā)布的NPRM64-30，F(xiàn)AA提出重新編排FAR29 取代之前的CAR7 的建議。1965年，F(xiàn)AA 依據(jù)原有的民用航空法規(guī)CAR，重新編排制定FAR：將滅火系統(tǒng)由CAR7.484 編制成29.639 條，對原規(guī)章中的語言進(jìn)行了簡化，使得表述更加清楚，糾正了一些明顯的書寫錯誤，同時，對章節(jié)號進(jìn)行了重新編排，使得FAR29 與FAR23（新）、FAR25（新）、FAR27（新）中的類似要求具有相同的編號。這個更改為本規(guī)章中的通用更改，不僅僅針對本條款。1965年2 月1 日，F(xiàn)AA 頒布最終規(guī)章法案（Final Rule 5084），F(xiàn)AR29.639 條款被拆分為滅火系統(tǒng)、滅火劑、滅火瓶及滅火系統(tǒng)材料四部分，F(xiàn)AR29.1195“滅火系統(tǒng)”則依據(jù)FAR29.639（a）款內(nèi)容編寫而成。

在1965 年12 月21 日發(fā)布的NPRM65-42，F(xiàn)AA提出修訂29.1195 條的建議。此次修訂主要對規(guī)章的文字表達(dá)方面進(jìn)行了修訂，使適航條款表述更加明確。此次修訂將（a）款中“除了裝有氣缸容量不大于1 500立方英寸的發(fā)動機(jī)的B 類旋翼航空器”改為“裝有渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器和裝有活塞發(fā)動機(jī)的A 類旋翼航空器，以及裝有氣缸容量大于24.6 升（1 500 立方英寸）的活塞發(fā)動機(jī)的B 類旋翼航空器”，描述方式進(jìn)行了調(diào)整，采用正面的描述方式進(jìn)行表述，對條款要求沒有實質(zhì)影響。

在1975 年5 月13 日發(fā)布的NPRM75-19，F(xiàn)AA 提出修訂29.1195 條的建議。為了更新和提高適航標(biāo)準(zhǔn)對航空器發(fā)動機(jī)和螺旋槳型號合格審定中動力裝置安裝條款的適用性，F(xiàn)AA 考慮修訂FAR 第1 部，23 部，25 部，27 部，29 部，33 部和35 部。29.1195（b）條的修訂是為了避免原條款內(nèi)容上的重復(fù)，同時也使之與25.1195 條保持統(tǒng)一。25.1195（b）款第（1）項已經(jīng)要求要2 次噴射滅火，而（b）款再次要求對動力裝置部分提供2 次滅火噴射，要求上與（a）款重復(fù)，且可能帶來歧義。本次修訂對（b）款進(jìn)行了修訂，對語句作了刪減和調(diào)整，條款要求沒有實質(zhì)變化。

在1975 年6 月30 日發(fā)布的NPRM75-31，F(xiàn)AA 提出修訂29.1195 條的建議。FAA 認(rèn)為有必要表明在飛行條件下有足夠的滅火劑噴射量存在來確保在任一提供滅火系統(tǒng)的指定火區(qū)中的火災(zāi)能夠被熄滅。本修正案提出增加（d）款，要求飛行條件下的滅火能力，此次修訂要求通過飛行試驗或者模擬試驗，驗證滅火系統(tǒng)能夠有效地熄滅火區(qū)的著火。

1.3 適航條款安全意圖和實質(zhì)要求分析

1.3.1 適航條款安全意圖

CCAR29.1195 條款對旋翼航空器滅火系統(tǒng)提出設(shè)計要求，規(guī)定了必須具有一定噴射次數(shù)和滅火劑量的滅火系統(tǒng)，并規(guī)定了符合性驗證的試驗類型和氣流條件，其目的是確保能夠有效熄滅指定火區(qū)發(fā)生的著火，并能夠使復(fù)燃的概率減至最小。

1.3.2 適航條款實質(zhì)要求

29.1195（a）款規(guī)定了需要對指定火區(qū)設(shè)置滅火系統(tǒng)的旋翼航空器類型，即包括裝有渦輪發(fā)動機(jī)的旋翼航空器、安裝使用活塞發(fā)動機(jī)的A 類旋翼航空器和裝有氣缸容量大于24.6 升的活塞發(fā)動機(jī)的B 類旋翼航空器。條款還要求動力裝置滅火系統(tǒng)必須能同時防護(hù)需要提供防護(hù)的動力裝置艙的所有區(qū)域。

29.1195（b）款對多發(fā)旋翼航空器的滅火系統(tǒng)設(shè)計作了規(guī)定，要求滅火系統(tǒng)的設(shè)計，滅火劑量、噴射速率等必須足夠、有效；并規(guī)定了滅火系統(tǒng)的有效噴射次數(shù)的要求：對于多發(fā)旋翼航空器，必須保證對輔助動力裝置和燃燒設(shè)備至少1 次噴射，對其他指定火區(qū)必須提供2 次噴射。

29.1195（c）款對單發(fā)旋翼航空器的滅火劑量與噴射速率作出規(guī)定：滅火劑量與噴射速率必須提供發(fā)動機(jī)艙至少足夠一次的噴射。

29.1195（d）款要求通過真實的或模擬的飛行試驗表明，滅火系統(tǒng)在飛行中臨界氣流條件下對指定火區(qū)的滅火是有效的，滅火劑的噴射速率、濃度應(yīng)能夠熄滅該區(qū)域的著火，并確保發(fā)生復(fù)燃的概率減至最小。

1.4 滅火系統(tǒng)適航條款關(guān)鍵點分析

1.4.1 臨界氣流條件確定

滅火系統(tǒng)飛行試驗需要在最嚴(yán)酷的狀態(tài)進(jìn)行試驗驗證，即動力艙通風(fēng)量最大、滅火瓶環(huán)境溫度最低狀態(tài)，同時滿足航空器使用高度范圍。需進(jìn)行動力艙通風(fēng)量數(shù)值模擬，分析不同飛行狀態(tài)下影響動力艙通風(fēng)量的飛行狀態(tài)參數(shù)有哪些，計算不同飛行狀態(tài)參數(shù)下通風(fēng)量的變化，以此得出臨界氣流條件對應(yīng)的飛行狀態(tài)參數(shù)。

1.4.2 試驗判定標(biāo)準(zhǔn)

滅火系統(tǒng)噴射滅火的有效性，主要通過對指定區(qū)域進(jìn)行滅火劑噴射后，區(qū)域內(nèi)的保持足夠的滅火劑濃度以及持續(xù)時間。根據(jù)《民用航空器Halon1301 滅火系統(tǒng)最低性能要求（HB 7276）》要求，如采用常用的鹵代烷1301 作為滅火劑，則噴射后滅火劑內(nèi)體積濃度至少為6%（重量濃度為22%），且在正常巡航狀態(tài)下，該濃度持續(xù)時間不少于0.5 s。真實的或模擬的滅火系統(tǒng)飛行試驗，應(yīng)以此為試驗判定的標(biāo)準(zhǔn)。為滿足滅火劑濃度測量要求，需通過機(jī)載滅火劑濃度測量設(shè)備進(jìn)行飛行過程中執(zhí)行滅火程序后的滅火劑濃度測量。滅火系統(tǒng)飛行試驗需確保每發(fā)動力艙所有測點的滅火劑濃度同時大于6%并保持0.5 s，要求極為苛刻，再加上試驗測試設(shè)備采樣精度受動力艙內(nèi)環(huán)境、大氣條件等因素影響較大，因此滅火劑濃度取樣點的選取對試驗結(jié)果影響很大。測試點的選取和布置應(yīng)能確保全方位監(jiān)測動力艙內(nèi)易出現(xiàn)火警的各點的滅火劑濃度分布情況，推薦的測試點包括易發(fā)生火災(zāi)的部位（燃油管路和熱點附近）和位于通風(fēng)的部位（滅火劑濃度臨界點）。

1.4.3 滅火系統(tǒng)設(shè)計要求

為確保噴射滅火時，滅火區(qū)域內(nèi)滅火劑濃度及持續(xù)時間滿足上述要求，滅火系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的設(shè)計措施保障，包括滅火劑劑量、滅火系統(tǒng)噴射管路設(shè)計等方面。滅火系統(tǒng)一般采用兩個滅火瓶，通過雙單向活門組件或Y 形管組件交叉并聯(lián)設(shè)計，可以實現(xiàn)對每個發(fā)動機(jī)艙滅火。滅火劑劑量確保指定滅火區(qū)內(nèi)滅火劑濃度和持續(xù)時間達(dá)到要求，從而實現(xiàn)有效滅火。滅火劑劑量需根據(jù)指定區(qū)域的容積及空氣流量確定。為確保高濃度滅火劑在指定滅火區(qū)域內(nèi)持續(xù)更長時間（通常至少0.5 s），滅火劑噴射時間應(yīng)該盡可能短（1 s內(nèi)），且滅火系統(tǒng)管路應(yīng)盡可能短（盡可能不超過3 m），且盡可能直，滅火瓶進(jìn)口靠近被保護(hù)區(qū)，盡量減少使用接頭和轉(zhuǎn)彎，并避免出現(xiàn)可能使滅火劑積聚的低洼處。管路的橫截面積取決于所希望的噴射速率和應(yīng)考慮的噴射系統(tǒng)容積。

2 滅火系統(tǒng)飛行試驗方法

2.1 動力艙通風(fēng)流量數(shù)值計算

為了滿足適航有關(guān)滅火系統(tǒng)驗證試驗的狀態(tài)要求，在試驗驗證前通過數(shù)值模擬計算了直升機(jī)懸停、水平前飛等幾種狀態(tài)下的動力艙通風(fēng)量，數(shù)值計算物理模型如圖1 所示。動力艙通風(fēng)量變化曲線如圖2、圖3所示，此計算結(jié)果可作為當(dāng)前動力艙通風(fēng)孔布局條件下，滅火系統(tǒng)符合驗證試驗的通風(fēng)量選擇依據(jù)。

圖1 動力艙簡化后的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 動力艙通風(fēng)流量隨前飛速度變化曲線

圖3 動力艙通風(fēng)流量隨起飛重量變化曲線

計算結(jié)果表明：

（1）不同飛行高度條件下，飛行高度和動力艙通風(fēng)流量呈反比。

（2）不同飛行速度條件下，飛行速度和動力艙通風(fēng)流量呈正比。

（3）不同起飛重量條件下，起飛重量和動力艙通風(fēng)流量成正比。

因此某型直升機(jī)在大速度、低溫度、低高度、前重心和大重量情況下對應(yīng)發(fā)動機(jī)關(guān)車的單側(cè)動力艙通風(fēng)流量最大，此結(jié)論可作為該直升機(jī)滅火系統(tǒng)試驗的飛行狀態(tài)選擇依據(jù)。

2.2 滅火系統(tǒng)飛行試驗程序

試驗原理：在臨界飛行狀態(tài)下，通過測試滅火系統(tǒng)噴射后，指定測試區(qū)域內(nèi)滅火劑濃度和持續(xù)時間，確定能否成功完成滅火并防止復(fù)燃。

試驗條件確定：臨界飛行狀態(tài)根據(jù)通風(fēng)量計算確定，滅火系統(tǒng)飛行試驗需在前重心、大重量、低空、大速度、低溫狀態(tài)下進(jìn)行。試驗配備滅火瓶（含電起爆器）10件（試驗件5 件，備件5 件）；滅火劑采用鹵代烷1301滅火劑（化學(xué)名：三氟溴甲烷，CF3Br）；充填壓力4.2 MPa（20℃，氮氣）。

測驗參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)：采用常用的鹵代烷1301 作為滅火劑，噴射后所有滅火劑取樣點滅火劑體積濃度必須大于6%（22%重量濃度），且各點同時維持6%體積濃度的時間不小于0.5 s。

試驗件：驗證樣機(jī)，各系統(tǒng)部件構(gòu)型與取證狀態(tài)一致。

試驗設(shè)備：目前國內(nèi)無機(jī)載滅火劑濃度測量設(shè)備，需要外協(xié)給國外有資質(zhì)的供應(yīng)商進(jìn)行，試驗設(shè)備由試驗供應(yīng)商提供。試驗測量設(shè)備為GMS 飛行測試系統(tǒng)，用于測量噴射后滅火劑濃度，包括測量傳感器、數(shù)據(jù)分析儀等。

滅火劑濃度測試點選?。簻缁饎舛葴y試點的選取和布置應(yīng)能確保全方位監(jiān)測艙內(nèi)易出現(xiàn)火警的各點的滅火劑濃度分布情況，參考《測量動力艙內(nèi)滅火劑濃度的通用指南（AC20-100）》的測點布置建議，推薦的測試點包括易發(fā)生火災(zāi)的部位（燃油管路和熱點附近）和位于通風(fēng)的部位（滅火劑濃度臨界點）。

飛行試驗前需進(jìn)行地面試驗，地面試驗結(jié)果滿足要求后，才可進(jìn)行飛行試驗。

滅火系統(tǒng)地面試驗流程：

（1）試驗前檢查，包括試驗件安裝、傳感器布置和安裝、通風(fēng)系統(tǒng)工作情況、測試設(shè)備連接情況等。

（2）直升機(jī)迎風(fēng)停放，使用停機(jī)剎車。

（3）起動1 號發(fā)動機(jī)至慢車狀態(tài)穩(wěn)定工作（該型機(jī)配備2 臺發(fā)動機(jī)，沒有輔助動力裝置）。

（4）關(guān)閉1 號發(fā)動機(jī)，按壓1 號發(fā)動機(jī)滅火按鈕，執(zhí)行滅火程序，進(jìn)行滅火劑濃度測試。

（5）數(shù)據(jù)分析，完成試驗報告及分析報告。

滅火系統(tǒng)飛行試驗流程：

（1）試驗前檢查，包括試驗件安裝、傳感器布置和安裝、通風(fēng)系統(tǒng)工作情況、測試設(shè)備連接情況等。

（2）發(fā)動機(jī)開車，起飛，相關(guān)設(shè)備通電，滅火劑濃度測試系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)節(jié)滅火劑取樣傳感器的流量。

（3）穩(wěn)定飛行至進(jìn)入臨界飛行狀態(tài)，按照飛行手冊應(yīng)急程序的飛行中失火程序，關(guān)閉1 號發(fā)動機(jī)，打開滅火劑濃度測試系統(tǒng)的測試軟件，準(zhǔn)備測試。

（4）調(diào)整2 號發(fā)動機(jī)功率至單發(fā)最大連續(xù)功率狀態(tài)保持臨界飛行狀態(tài)，執(zhí)行1 號發(fā)動機(jī)滅火程序，引爆電起爆器，滅火瓶噴射滅火劑，進(jìn)行第一次滅火劑濃度測試。

（5）調(diào)整飛行姿態(tài)至穩(wěn)定飛行狀態(tài)，通過機(jī)載滅火劑濃度測試儀實時記錄各測試點滅火劑體積濃度，記錄時間為30 s。

（6）保持直升機(jī)穩(wěn)定平飛10 min 后再次執(zhí)行1 號發(fā)動機(jī)滅火程序，進(jìn)行第二次滅火劑濃度測試，待測試完成后重啟1 號發(fā)動機(jī)，穩(wěn)定平飛后，直升機(jī)盡快返場著陸。

（7）2 號發(fā)動機(jī)艙滅火試驗程序以1 發(fā)為例，完成試驗。

（8）數(shù)據(jù)分析，完成試驗報告及分析報告。

3 結(jié)論

本文通過深入分析滅火系統(tǒng)條款技術(shù)內(nèi)涵和適航要求，總結(jié)出三點驗證關(guān)鍵要素。第一點是確認(rèn)滅火系統(tǒng)飛行試驗是否達(dá)到臨界條件，需進(jìn)行動力艙通風(fēng)量數(shù)值模擬，分析不同飛行狀態(tài)下影響動力艙通風(fēng)量的飛行狀態(tài)參數(shù)有哪些，計算不同飛行狀態(tài)參數(shù)下通風(fēng)量的變化，以此得出臨界氣流條件對應(yīng)的飛行狀態(tài)參數(shù)。第二點是滅火系統(tǒng)飛行試驗合格判據(jù)及滅火劑濃度測試點選取方法，滅火系統(tǒng)飛行試驗需確保每發(fā)動力艙所有測點的滅火劑濃度同時大于6%并保持0.5 s，滅火劑濃度取樣點的選取和布置應(yīng)能確保全方位監(jiān)測動力艙內(nèi)易出現(xiàn)火警的各點的滅火劑濃度分布情況，推薦的測試點包括易發(fā)生火災(zāi)的部位（燃油管路和熱點附近）和位于通風(fēng)的部位（滅火劑濃度臨界點）。第三點是保證滅火系統(tǒng)有效滅火的系統(tǒng)設(shè)計方法，為確保高濃度滅火劑在指定滅火區(qū)域內(nèi)持續(xù)更長時間（通常至少0.5 s），滅火劑噴射時間應(yīng)該盡可能短（1 s 內(nèi)），且滅火系統(tǒng)管路應(yīng)盡可能短（盡可能不超過3 m），且盡可能直，滅火瓶進(jìn)口靠近被保護(hù)區(qū)，盡量減少使用接頭和轉(zhuǎn)彎，并避免出現(xiàn)可能使滅火劑積聚的低洼處。最后結(jié)合某型直升機(jī)滅火系統(tǒng)飛行試驗的實例，給出了適航驗證試驗方法，為直升機(jī)滅火系統(tǒng)飛行試驗適航符合性驗證提供了有益指導(dǎo)。